高速公路通道桥扩建中轻质气泡混凝土的应用

作者简介：覃建科（1979—），男，本科，工程师，主要从事道路工程施工方面的工作。

摘要：在高速公路通道桥的扩建过程中，需要对特定路段进行关键的工程处理。高速公路通道桥的特殊部分需要对路基进行加强处理，提高整体的稳定性。轻质气泡混凝土对通道桥扩建中的路基填筑具有很明显的作用，能够显著提高路基的强度，并且施工简单，价格低廉。本文对轻质气泡混凝土的特点、施工过程进行探讨，为高速公路工作提供参考。

关键词：单跨通道桥  轻质气泡混凝土  软基换填  水灰比  质量控制

我国高速公路的车流量的不断增大，部分已经建设完成的高速公路适应不了现有的交通量，因此高速公路通道桥必须进行扩建改造。在高速公路通道桥改扩建过程中，新老路基沉降易发生变形，降低了改扩建施工质量，并且部分通道桥桥台填土需要进行改造，因此需要对改扩建施工技术和填筑材料进行合理优化。目前常将轻质气泡混凝土作为改扩建路基填筑材料，因其成本低、施工简单、强度高等优点而应用广泛。本文着重介绍了轻质泡沫混凝土配合比的特点、类型和设计，重点介绍了泡沫混合轻质土的施工工艺，并在具体工程中进行应用。

1工程概况

沈阳—海口高速公路开平—阳江段，原本建成的四车道高速公路满足不了现有需求，所以需要通过改造扩建到八车道高速公路。床宽从28m扩大到42m，设计速度为120km/h。旧路两侧的改建和扩建方案主要是为了保持旧路的水平和垂直路段不变，而旧桥则得到修复和加固。在通道桥的改建过程中，需要对路基进行加固，本次过程中通道桥路基中软基段较多，需要对软基段进行改造。在软土地基部分，路基部分主要是含水高、强度低和土层厚度比较大的软土。通过对通道桥的软基路段的实时观测，得出部分路段满足不了设计要求，需要对其进行加固。为使招标管路在规定时间内开放通行，减小早期沥青路面的破坏，决定用轻质泡沫混凝土对软基路段进行工程处理，以减轻额外的压力，使沉降降级。

2轻质气泡混凝土的特征

对于轻质气泡混凝土，是指将起泡剂机械配制成泡沫，然后加入钙材料、添加剂和水的混合物，混合均匀后浇水[1]，主要由以下几个阶段的过程组成：（1）发泡过程，使用混合器將水、骨料和胶凝材料进行搅拌混合，使料浆达到发泡效果;（2）混合过程，将混合好的泡沫和浆料混合搅拌;（3）渗漏过程，把混合好的泡沫浆料运送到工程现场进行浇水处理，进行渗漏处理。轻质气泡混凝土的主要应用领域是取代路堤。这种新材料我国多个省份已经开始使用，在工程实践中已经形成了相当规模的应用，特别是在填充特别部分的过程中[2]。

轻质泡沫混凝土从原理上来讲是一种胶凝材料，将水泥、水和气泡按不同的比例进行搅拌混合。针对不同的地质条件还可以添加不同的添加剂，矿渣和钢渣等材料。轻质气泡混凝土的主要技术优势包括可以对质量进行调整、密度和散装强度，施工良好[3]。

2.1主要技术特点

2.1.1 良好的流动性

与普通混凝土相比，轻质气泡混凝土流动性较好。搅拌混合后的轻质气泡混凝土浆料呈液体状态发展，可以通过自带的管道系统经泵送设备进行泵送，现场可以实现垂直高度100m、水平距离500m的远距离输送，可流动至作业面的各个角落和缝隙。

2.1.2 轻量化

泡沫轻质混凝土材料因其材料内部均匀分布大量的独立闭合胶质气泡，气泡膜是一种具有较强韧性的物质，气泡之间互不通水，从而使建筑材料的容重最小可达150kg/m³，相当于一个普通商品混凝土的1/2～1/10。施工管理过程中，轻质复合材料设计荷载小，可以减少对工程建设其他结构层的扰动。

2.1.3 隔热性好

轻质泡沫混凝土结构内存在较多气孔，气孔可以对热量进行吸收，提高轻质泡沫混凝土的导热性能，减小温度的变化对其造成的破坏。

2.1.4 隔声良好

轻质气泡混凝土的众多孔隙结构可以对声音进行良好吸收，声音在气孔内传递会消耗能量，起到良好的隔音功能，因此泡沫轻质混凝土具有良好的降噪功能。

2.1.5 耐火性好

轻质气泡混凝土的主要成分为水泥胶结料，可以起到隔热的功能，降低混凝土的可燃性。

2.1.6 施工

可在相对狭窄的空间内进行施工，并且不需要机械使用，操作简单，工期短。

2.1.7 整体性和直立性

轻质泡沫混凝土采用水泥为固化剂，具有与普通混凝土初凝、终凝等特性，硬化后具有良好的直立性。轻质泡沫混凝土可分层进行现场浇注施工，固化后对挡土墙等结构几乎不存在向外的推挤力且与工程的主体相互紧密贴合，因此可以现场采用垂直分层浇筑，从而简化施工防护、减少桥台等设计。

2.1.8 节能环保

轻质气泡混凝土的原料为硅酸盐水泥、水和发泡剂。大部分材料都不含有毒有害物质，在环保方便和其他物质相比具有更好的优势，减小了对环境造成的污染，同时可以利用工业废料，如粉煤灰、赤泥、矿渣等可以节约资源，符合我国碳中和的发展趋势，环保效应非常好，能够有效减少土地开挖量，节约资源，对周围环境影响较小。

2.1.9 安全性

轻质泡沫混凝土在安全性方面与其他建筑材料相比具有更好的效果，在施工方面很安全，轻质的特性使其在工程实践中有更好的安全性。安全性还体现在轻质泡沫混凝土在施工后对地基的整体性更好，质量稳定，具有更好的耐久性。在各种条件下如冻土条件、降水条件、酸雨条件下等都可以稳定地使用，各项工程指标都保持稳定[4-5]。

2.1.10 强度范围广

通过配合比进行调整水泥等胶凝材料的种类和掺用量、发泡剂和发泡倍率、气泡群密度，使得泡沫轻质混凝土的强度可在0.4～2.2MPa的范围内调节，以满足不同施工部位的施工需求和设计需求。

2.2主要指标包括

（1）湿粒密度：顶部80cm以内不超过6kN/m3，其他部分不超过5kN/m3;

（2）混合強度：80cm以上28d的强度应大于0.8MPa，其他部分28d的强度应大于0.6MPa;（3）移动性：在160～200mm范围内。

2.3结构特点

在轻质气泡混凝土结构中，有两种不同的孔隙结构，包括泡沫气孔结构和构造孔隙[6]。轻质气泡混凝土气孔结构的影响主要是因为吸水性能不同，吸水性对其孔隙结构有较大影响;同时，气孔结构也对轻质泡沫混凝土的力学性能和渗透性能有较大影响。构造孔隙主要是由轻质气泡混凝土的水化产物的不同来形成的，在孔径大小的对比上，构造孔隙的孔径比气孔结构小，并且在材料中处于不连续状态，因此构造孔隙对轻质气泡混凝土的力学性能和渗透性能的影响比泡沫气孔结构小。

2.4结构性能

轻质气泡混凝土具有良好的力学性能和物理性质，在工程上有广泛的应用[7-10]。轻质气泡混凝土在工程实践中施工方便，自动沉降，密实性好，同时与其他材料能同时在工程中进行应用，其质量和力学性能可根据具体条件进行调整。

3轻质气泡混凝土应用技术方案

轻质气泡混凝土的施工工艺流程主要包括四大步骤，施工流程见图1。

3.1施工准备

在施工准备前，需要对轻质泡沫混凝土的比例进行设计。在试验混合试验期间，应该进行物理力学等试验。当流量值达到了工程使用要求，应准备和保存样品，对泡沫的比例和类型进行调整，对混凝土重新进行混合试验。

工程施工前，应根据设备的生产能力和施工期要求，将设计的铸件分为铸件区域和层，并对铸件施工进行相关规划;同时，冶炼区地下室的sundries必须拆除，特别是地下室积存的水必须排水。发现低于地下水水位时，应采取降水措施，严禁用水发射地下室。

3.2泡沫生成

泡沫是由泡沫机器用压缩空气稀释泡沫剂生产的，泡沫剂的性能直接影响泡沫。泡沫稳定性、泡沫剂生产性能应符合下列要求：（1）不得对环境造成不利影响，适当使用界面活性泡沫剂;（2）在温度高于0℃的环境中，泡沫剂不得出现分离现象;（3）发泡剂所制作的泡沫应细密。在混合物中不得含有水、油等物质，否则会影响到泡沫的稳定性和耐久性。泡沫的制备应该由设备自动控制，使生产的泡沫达到薄而稳定的效果。

3.3水泥浆制备

工程中水泥浆可以在工程现场制备，然后进行应用，轻质气泡混凝土对水泥浆的质量要求不高，只需要湿密度达到工程的要求进行，水泥浆的制备在工程中应连续进行，浇筑过程要连续，达到好的沉降效果，路面进行平实，达到均匀性和无沉积作用的效果，并且应该在卸货口设置滤光片，来阻止较大的颗粒材料堵塞泵管。

3.4现场浇注

泡沫轻质土层厚度应控制在0.25～1.0m范围内。模板安装应牢固地安装在截面上，溢出截面应用塑料布密封，以防止沿开口渗出轻质土。单喷面积和发泡轻质土喷流层的喷流时间应在水泥喷流的初始调整时间内控制，顶喷层只能在底喷流层的最终配置后才能喷流。应尽可能沿溢出区域轴的主轴方向从一端溢出到另一端。如果使用多根溢出管进行溢出，则可以从一端溢出到另一端，也可以沿对角线溢出。在溢料过程中，需要移动溢料管时，应沿着放置溢料管的方向前后移动，但不宜左右移动溢料管。如果真的需要左右移动溢洪道，溢洪道应在移动前尽可能地上升到目前的地表。平整表面时，溢洪道应尽可能保持平整，溢洪道应尽可能低地位于目前渗出的轻质土壤表面。尽量减少在溢出的轻质地板上来回走动，但不要着急。

3.5在桥台台背填土的应用

桥头跳车问题是一个暂时无法解决的世界性难题，桥梁工程在运营阶段的维修养护费用的80%使用在道路桥梁的过渡段落及桥台台背的回填位置，桥头跳车的主要影响因素是台背回填土的土质不符合要求、压实度不足、不均匀沉降，而现有工艺是将原有路面采用铣刨后进行摊铺一层新道路路面的施工工法，从而消除减少通车运营后的不均匀沉降导致的现有路面的坡度差;由于铣刨后加铺路面增加了路面厚度，也增加了永久荷载，维修保养后的总沉降将进一步加大，必然会在后期的某一时间节点再次采用同样的加铺道路路面的施工工法进行维修，如此反复不但会导致后期维修与后期继续产生沉降的恶性循环，还存在施工时间长、费用过高等问题。

在桥台与道路路基之间填筑楔形轻质泡沫混凝土可使桥台与道路路基相交部位附近沉降曲线的梯度变化减缓，甚至均匀，其优点主要体现在以下几方面。

（1）可以在很大程度上降低施工填土荷载重量，减小填土的压力，减少路基的附加应力，抑制路基的差异沉降和侧移，提高路堤和路床的整体性和稳定性。

（2）可以对桥台结合部达到好的缓冲效果。

（3）沉降达到好的效果，表面平整均匀，消除沉降带来的影响。

（4）轻质泡沫混凝土硬化后具有良好的直立性，不会对桥台结构产生侧向压力，所以几乎不会有推挤。

（5）缩短施工建设工期。轻质气泡混凝土应用在桥台台背填土的施工中，提高了回填施工的速度，保证了施工的质量，节省了施工的时间，同时又具有节能环保的作用，安全性方面得到了保障。应用轻质泡沫混凝土显著减少了台背填土的压力，省去了支撑梁，减少了工程的施工费用，同时支撑梁的省去减小了通道对交通的影响，间接提高了社会效益和经济效益。经过质量监测，桥台台背填土应用轻质气泡混凝土达到了好的工程效果，桥台与路基结构稳定，保证了工程质量，改建效果良好

3.6软基路段路基拼宽

（1）一般路段：在与老路连接处开挖成台阶，从下往上分两级开挖，每级台阶高度为1/2泡沫混凝土厚度，台阶按1：1坡比进行开挖，分台阶浇筑泡沫混凝土，边坡覆盖回填土，形成复合式泡沫混凝土路堤。

（2）用地受限路段：采用直立面板式泡沫混凝土，减少了采用挡墙类的支挡结构物及相应的软基基底处理措施。较放坡式路基填筑，避免了大面积征地拆迁及路基施工中涵洞、通道等结构物的接长，以及由此引起的沉降差异，缩短了施工工期、节约了成本。

由于泡沫混凝土材料容重较小，在施工过程中及后期对原路基及基地产生的附加应力较小，沉降差异比较容易控制，经与老路沉降观测表明，泡沫混凝土段落运营期间沉降几乎为零，新老路建搭接部位未出现开裂现象。

3.7成品保护

在施工过程中，遇到暴雨天气或者是长时间小雨时，未使用轻质泡沫混凝土处理的路面应该采取避雨措施，使路面达到相应的湿度，达到轻质泡沫混凝土的使用要求。一旦轻质泡沫混凝土硬化，就不能直接投入使用，直到輕质泡沫混凝土达到相应的使用强度再进行使用。将轻质气泡混凝土进行实际工程应用后，需要用塑料薄膜覆盖路面，来固化混凝土中的水分。

4 质量控制因素

发泡液、发泡设备、搅拌设备和胶凝材料，这4个要素是决定泡沫轻质混凝土生产质量的主要因素。

4.1 发泡液

发泡液就是发泡剂与水溶液在发泡设备的作用下将空气引入，而产生大量泡沫群的一种混合物质。发泡液是影响轻质泡沫混凝土浇筑稳定性质量的第一要素，主要决定了稀释倍率、泡沫数量（即发泡倍率）、气泡群密度的稳定性和发泡设备一同影响泡沫的泌水率。

4.2 发泡设备

发泡设备决定了发泡剂是否可以制成一群质量合格的气泡群，制成的气泡群质量、气泡群的密度和气泡群的均匀性，也影响气泡群的适应性及湿容重。

4.3 搅拌设备

搅拌设备是将水泥、泡沫和其他辅助材料混合的机器，搅拌设备工作的主要目的是将轻质泡沫混凝土达到好的沉降效果和均匀效果。

4.4 胶凝材料

胶凝材料决定了泡沫轻质混凝土的抗压强度。当然，其与外加剂、发泡剂性能、气泡群质量和气泡群掺量、气泡群密度等也有很重要的关系，同时也影响轻质泡沫混凝土的稳定性和流动度。

5结语

总之，泡沫轻质混凝土由于重量轻、强度可调、颗粒密度大等显著优势，施工性能好，包括桥头堡防撞、挡土墙回填等，已广泛应用于高速公路的几个特殊路段作为一项新的技术措施，它在整个生命周期中都具有良好的技术经济性，因此建议将其广泛推广，以充分发挥该技术的优势、特性和优势。

参考文献

[1]陈俊平.泡沫轻质混凝土在高填方路基中的应用[J].江西建材，2021（10）：209-210，212.

[2]高珂华.气泡混合轻质土在高速公路改扩建中的应用[J].交通世界，2021（29）：87-88.

[3]蒋汉青.高速公路改扩建工程中气泡混合轻质土的应用[J].中国公路，2021（19）：95-96.

[4]王茜，赵翔.气泡混合轻质土在路桥过渡段施工应用中的沉降变形分析[J].内蒙古公路与运输，2021（4）：89-90.

[5]周松川，丁东平.轻质气泡混凝土在高速公路通道桥扩建中的应用[J].广东公路交通，2021（2）：115-116.

[6]王杰，宁宁，蒋姗，杨伟松.轻质混凝土性能及应用现状研究[J].低温建筑技术，2020，42（10）：22-25，29.

[7]姜立帅.轻质泡沫混凝土填料在路基施工中的应用[J].西部交通科技，2020（7）：59-61.

[8]胡艺.泡沫轻质混凝土在绿色生态道路工程中的应用[J].四川水泥，2021（9）：125-126.

[9]张胜利.宁波舟山港主通道（鱼山石化疏港公路）工程海域桥梁总体设计[J].公路，2021，66（11）：169-173.

[10]陈启飞，李学礼，王尚龙.利用装配式公路钢桥架设长大应急通道的施工方案[J].施工技术，2021，50（12）：109-111，129.